一种基于吸气电极的新型真空触发开关

针对真空触发开关触发时延和抖动大、使用寿命不长的难题,设计了一种基于吸气电极的新型真空触发开关,开展工作寿命测试实验和不同触发极性、主间隙电压和触发能量下的导通特性实验。实验结果表明:与纯金属电极开关相比,吸气电极开关的触发时延和抖动更小,工作寿命更长。负极性触发时的触发时延和抖动均远低于正极性触发。正极性触发的触发时延为1.7～3 μs,抖动为300～700 ns,而负极性触发的触发时延为400～600 ns,抖动为30～70 ns。触发时延和抖动都随着触发能量的增大而减小,但当能量高于一定值后,触发能量对导通特性的影响趋于饱和。     

电触发真空沿面闪络开关工作特性初步研究北大核心CSCD

为研究电脉冲触发真空沿面闪络开关在中、小通流条件下的适用性,基于直接镀铜基板工艺制作了真空沿面闪络开关样件并搭建了开关工作特性测试实验平台。通过实验手段初步研究了开关耐压特性、触发工作特性(触发延时、抖动、工作范围)和寿命特性。实验结果表明:有效间隙7.2 mm的真空沿面闪络开关直流耐压约40 kV;开关在18 kV工作电压下触发导通延时89.9 ns,抖动13.1 ns,开关在1~18 kV工作电压范围内均能可靠触发导通;连续考核约2300次后开关各项特性无明显变化。     

针板型触发电晕稳定开关的特性

 为了验证在空气状态下电晕稳定开关的重复频率特性,对自行研制的盘式触发三电极电晕稳定开关的工作特性进行了实验研究,并分析了实验结果。结果表明,在空气状态下,开关具有良好的触发特性,开关抖动和导通时延最小可以分别控制在4, 36 ns;同时,还可以通过减小触发间隙,进一步减小开关的导通时延和增加开关的稳定性。     

不同形状的光斑触发砷化镓光导开关

为研究使用不同形状光斑触发光导开关对光电导特性的影响,研制了12 mm间隙的半绝缘砷化镓光导开关,在不同的偏置电压下,使用波长为1 064 nm的不同能量的激光触发光导开关并进行了光电导测试。使用了不同形状的光斑(包括面状、线状和点状光斑)触发光导开关并进行了光电导特性的比较,讨论了触发光参数对光导开关特性的影响。对处于开关电极间不同位置的线状光斑触发特性进行了比较,结果显示,本征光电导和非本征光电导情况下光斑位置对光电流的影响正好相反。     

GaAs-PCSS多通道同步导通条件实验研究

砷化镓光导开关（GaAs-PCSS）是具有快响应、高重频、低抖动、高功率容量的半导体光电导开关,多通道设计能够有效降低GaAs-PCSS非线性大电流导通时的损伤,提高开关寿命。为探究GaAs-PCSS多通道同步导通的必要条件,在基于固态脉冲形成线的实验平台上,通过特殊设计的夹具,将多枚GaAs-PCSS并联连接以作为脉冲形成电路的开关,以对各GaAs-PCSS施以不同的触发信号进行测试。实验结果证明:相同触发信号下,开关导通电流被成功地均分到4个GaAs-PCSS通道中;不同触发信号下,为获得较好的电流均分效果,各通道触发延迟时差须小于1 ns,触发能量差须小于20 μJ。设计了分体式、单体式两种结构的多通道GaAs-PCSS,其中基于刻蚀工艺的单体式20通道GaAs-PCSS在7 000余次大电流工作后仅发生轻微损伤。     

带陡化间隙的触发真空开关触发源研制北大核心CSCD

针对主电极间距20mm以上的沿面击穿型多棒极触发真空开关(TVS),研制了开关触发源。触发源利用脉冲变压器产生脉冲高压输出,在脉冲变压器高压侧并联小容值电容并在电容后串联陡化间隙。陡化间隙的加入可以使触发源输出不受触发沿面金属蒸气沉积的影响。通过调节间隙击穿电压也可以提高电容充电电压及储存能量,从而增加TVS触发沿面被击穿时注入到其中的触发能量。使用该触发源对TVS进行导通实验,结果表明,加入陡化间隙后的触发源输出能量大幅提高且不受触发沿面金属蒸气沉积的影响,能够实现TVS的100%可靠导通。     

喷射等离子体触发气体开关导通特性

利用内嵌微孔火花放电产生喷射等离子体、作用于两电极开关,研究了间隙距离、气压、气体种类、开关工作系数和电压极性配合等因素对等离子体喷射控制开关导通特性的影响。实验结果表明,等离子体喷射触发开关可在工作系数为10%的条件下可靠快速导通,当开关采用0.5 MPa_N₂作为绝缘介质、间隙距离5 mm时,触发导通时延为11.7 μs,抖动为1.42 μs;当间隙距离增大到18 mm时,触发导通时延增大至19.7 μs,触发可靠性降低;当工作系数由10%增大到60%时,触发导通时延由11.7 μs降低至1.1 μs。在确保开关自击穿电压一致的前提下,短间隙、高气压、负触发脉冲电压、正工作电压更有利于减小开关触发导通时延。     

气体触发开关击穿过程的光学测量实验研究

文章首先介绍了气体触发开关的三电极结构, HSFC-PRO超高速相机的主要性能参数和使用HSFC-PRO超高速相机进行气体触发开关的击穿过程的光学测量实验的实验设计, 并利用ANSYS软件对触发开关三电极导通过程进行静电场模拟. 初步实验结果表明, 气体触发开关击穿过程可分为两个阶段, 即触发极与正电极击穿后再与负电极击穿, 实验结果与静电场模拟结论一致. 该气体触发开关在24ns时正负电极已完全击穿导通, 击穿过程迅速, 并且击穿导通过程在10.5μs以上, 0至4.5μs时间内正负电极之间放电火花依次明显增强, 而6至10.5μs内放电火花依次减弱, 到10.5μs时放电火花最弱, 气体触发开关击穿导通过程基本结束. 实验证明, 超高速相机是研究开关快速击穿放电导通过程的有效手段, 本实验为进一步研究高压开关击穿导通过程并提高开关耐压性能提供了参考.     

基于Parylene C的单触发开关性能实验研究

为了研制具有高导通电流和高导通速率能力的单触发开关,利用微加工技术制备了基于Parylene C的三明治结构单触发开关。在主回路充电电压1.0~1.6kV的范围内,分析了开关触发回路电流、电压特性,导通峰值电流、上升时间、开关延迟时间,并且对单触发开关的电感、电阻做了估算。结果表明,基于Parylene C的单触发开关性能优于基于聚酰亚胺的单触发开关;随着开关加载电压的升高,开关导通的峰值电流呈现不断增大的趋势,但是上升时间几乎不变,其延迟时间分布在1~200μs之间,呈随机性分布,开关电阻随其作用时间增加不断增大。     

纳秒级Trigatron开关触发特性

设计了一种Trigatron开关,以Tesla型GW级纳秒脉冲源为实验平台,实验研究了不同电压极性组合、触发电压、触发间隙、触发极直径和触发脉冲宽度对开关触发特性的影响。实验研究结果表明:开关电压极性组合、触发电压、触发间隙对开关触发特性影响较大,在各欠压比条件下差异均十分明显,触发极直径和触发脉冲宽度对开关的触发特性影响较小。根据实验结果优化了开关结构和工作参数,获得的开关抖动最低可达0.1 ns。     

气体火花开关电极烧蚀研究综述

气体火花开关是脉冲功率装置中最常用的关键器件。电极烧蚀作为脉冲功率开关中的难点问题,会引起开关自击穿电压降低、触发抖动增大及开关寿命降低,已成为制约气体开关发展和应用的一个瓶颈。本文回顾梳理了国内外学者针对电极烧蚀问题进行的一系列研究,从电极烧蚀理论和实验研究成果两个方面,介绍了电极烧蚀的基本机制及仿真模型,归纳了影响开关电极烧蚀的因素以及电极耐烧蚀材料的研究进展,最后讨论了电极烧蚀研究面临的问题以及优化电极材料抗烧蚀性能的方向。     

Pseudospark discharge in long time current pulse: electricalcharacterization and recovery phenomena

At high currents, the performance of triggered vacuum gaps is limited by the constriction of the arc discharge on the anode. In a symmetrical system within flat electrodes, a motionless anode spot appears in front of the trigger spark. A pseudo-spark system within electrode cavities and specific gas pressure provides a good mechanism for avoiding anode spot phenomena. It appears possible to obtain a high intensity diffuse discharge. In this paper, we present the experimental measurements of the instantaneous voltage and discharge current, (peak current less than 50 kA, discharge time between 20 and 300 μs). These measurements allow us to determine the dynamical resistance, mean voltage and energy lost during the conduction phase. Consequently, we refine our knowledge of discharge development. Additionally, we present a complementary investigation on quenching behavior     

火花通道长度对激光触发开关特性的影响

利用超高速相机,在曝光时间100 ns时,对不同能量下激光在氮气气体开关中形成的火花通道进行拍照,得到了不同焦距下激光波长266 nm时激光火花通道长度与激光能量的关系。开展了激光触发气体火花开关的实验研究,激光触发开关延时、抖动随激光能量的增加而减小。将火花通道长度与激光触发开关的特性进行了分析,气体开关的抖动随着激光火花通道长度的增加而减小,当火花通道沿电极间轴向长度达到开关电极间距40%时,开关的抖动为亚ns量级。     

Rimfire开关电路模型

建立了Rimfire开关的串联间隙电路模型,将开关所有的杂散电容都包含在内,结合火花通道的传导特性,以PSpice软件为计算平台,对一个700 kV Rimfire型开关进行了模拟。由于开关所有间隙都具有独立的时间变化参数,因此串联间隙电路模型不但可以在宏观上表现出开关的特性,而且能够模拟开关任一部分的时变电压和电流,进而分析开关的内部工作过程。模拟结果表明:激光触发间隙导通而自击穿间隙不导通时,作用在开关上的总电压超过700 kV;开关正常工作时,作用在所有间隙上的电压均高频振荡衰减。     

Factors affecting and methods of improving the pulse repetitionfrequency of pulse-charged and DC-charged high-pressure gasswitches

The results of this paper describe some of the factors which affect the repetitive operation of high-pressure gas switches (spark gaps) for both pulse-charged and DC-charged operation. Also discussed are methods which may be employed to improve the pulse repetition frequency (PRF) of spark gaps operating under such conditions. Under pulse-charged conditions, the voltage recovery process of the spark gap has been shown to be restricted following partial density recovery by the residual ion population. This restriction may be minimized by applying a suitable bias voltage across the gap to remove the ion influence. It is also possible to manipulate the voltage-pressure (V-p) breakdown characteristic of a spark gap in order to improve the rate of rise of recovery voltage by reducing the recovery voltage dependence upon gas pressure. The combination of these effects has been shown to reduce the voltage recovery time of pulse-charged spark gaps from several hundred milliseconds to several milliseconds. Under DC-charged conditions, where no “dead time” is available for voltage recovery, it is possible to employ corona discharge effects, which occur in highly nonuniform fields, to stabilize and control the breakdown process. The use of corona stabilization has enabled the operation of a self-closing spark gap at a PRF of more than 5 kHz, without employing gas flow techniques. A triggered version of a corona-stabilized spark gap has also been developed which has demonstrated single run capabilities of 10⁷ (4 h continuous operation at 700 pps) and a lifetime of ~10 shots (maintenance free, sealed switch). The triggered corona switch has also demonstrated controlled switching up to a PRF of 1.2 kHz     

小型场畸变气体开关的击穿抖动特性

基于高功率重复频率脉冲功率源的应用需求,研制了一种三电极场畸变结构气体火花间隙开关,并开展了重复频率条件下的触发特性研究。实验研究了场畸变火花间隙开关的触发特性随重复频率、气体成分、工作压强和工作系数的变化关系,计算了气体开关的触发击穿时延和抖动参数,分析了影响开关触发特性的主要因素。实验结果表明:气体开关触发击穿的抖动随着重复频率增加而增大;填充气体中SF₆和N₂体积比1∶1时,混合气体的综合性能较好;工作系数主要影响开关第二放电火花间隙(间隙2)的击穿抖动。     

Plasma density evolution in plasma opening switch obtained by a time-resolved sensitive He-Ne interferometer

To understand the formation process of vacuum gap in coaxial microsecond conduction time plasma opening switch (POS), we have made measurements of the line-integrated plasma density during switch operation using a time-resolved sensitive He-Ne interferometer. The conduction current and conduction time in experiments are about 120 kA and 1 μs, respectively. As a result, more than 85% of conduction current has been transferred to an inductive load with rise time of 130 ns. The radial dependence of the density is measured by changing the radial location of the line-of-sight for shots with the same nominal POS parameters. During the conduction phase, the line-integrated plasma density in POS increases at all radial locations over the gun-only case by further ionization of material injected from the guns. The current conduction is observed to cause a radial redistribution of the switch plasma. A vacuum gap forms rapidly in the plasma at 5.5 mm from the center conductor, which is consistent with the location where magnetic pressure is the largest, allowing current to be transferred from the POS to the load.     

微型平面式气体火花开关的设计和制作

基于表面微加工技术,设计并制作了一种微型平面式气体火花开关,其尺寸仅为1.5 cm0.5 cm,对制作的微型火花开关进行电路测试,得到其输出电流峰值约为3 450 A,上升时间164 ns。结合实验结果,对开关器件进行电路系统仿真并提取参数,得到系统电感为26.5 nH,电阻为0.066 ,与传统机械结构的立体式火花开关相比,器件参数得到显著优化。